CN105735371A - 变频水平循环加载试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变频水平循环加载试验装置。本发明的目的是提供一种结构简单、成本较低、高加载次数且加载形式多样的变频水平循环加载试验装置。本发明的技术方案是：一种变频水平循环加载试验装置，具有置于水槽内的模型桩，其特征在于：所述模型桩上接有若干加载机构组，加载机构组由对称接于所述模型桩两侧的一个重力加载机构和一个力矩加载机构组成；所述重力加载机构具有砝码块Ⅰ和钢丝绳Ⅰ，钢丝绳Ⅰ一端接于所述模型桩，另一端连接砝码块Ⅰ，该钢丝绳Ⅰ挂于滑轮Ⅰ上，滑轮Ⅰ经连杆Ⅰ和刚性加载框架固定于地面。本发明适用于海上单桩室内模型试验进行长周期水平循环研究。

Description

变频水平循环加载试验装置

技术领域

本发明涉及一种变频水平循环加载试验装置。适用于海上单桩室内模型试验进行长周期水平循环研究。

背景技术

目前，桩基础或其它基础形式在海洋工程中的应用越来越广泛，但由于海上环境异常复杂，常常受到不同频率的风浪荷载作用，作用周期长，荷载作用次数常达10⁷次，给室内单桩的水平受荷性能研究造成了影响。因此以往对海上单桩室内模型试验进行长周期水平循环研究时，通常将不同频率的外荷载简化成一个荷载施加在模型桩上，加载时常采用费用昂贵的激振器或者MTS液压加载系统进行加载，并有以下弊端：

1、加载设备费用昂贵，单台设备费用达数万元至数百万元不等，试验费用高昂。2、加载的次数受限，当加载次数达到数十万次时，加载系统容易出现问题。3、难以满足个性化试验的要求。大多数激振器或者MTS液压加载系统所施加的荷载较大，一般以kN为度量单位。而往往模型试验中所需的荷载只需几十N至几百N的荷载，加载精度难以满足小模型试验的要求。4、受限于激振器或者MTS液压加载系统的体积和试验场地，试验时往往只进行单点加载，使试验的研究内容受限。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供一种结构简单、成本较低、高加载次数且加载形式多样的变频水平循环加载试验装置。

本发明所采用的技术方案是：一种变频水平循环加载试验装置，具有置于水槽内的模型桩，其特征在于：所述模型桩上接有若干加载机构组，加载机构组由对称接于所述模型桩两侧的一个重力加载机构和一个力矩加载机构组成；

所述重力加载机构具有砝码块Ⅰ和钢丝绳Ⅰ，钢丝绳Ⅰ一端接于所述模型桩，另一端连接砝码块Ⅰ，该钢丝绳Ⅰ挂于滑轮Ⅰ上，滑轮Ⅰ经连杆Ⅰ和刚性加载框架固定于地面；

所述力矩加载机构具有钢丝绳Ⅱ和重心变化机构，重心变化机构经刚性加载框架固定于地面，且重心变化机构与刚性加载框架之间通过水平布置的转轴可转动相连，重心变化机构经钢丝绳Ⅱ连接所述模型桩，该钢丝绳Ⅱ挂于重心变化机构上方的滑轮Ⅱ上，该滑轮Ⅱ经连杆Ⅱ和刚性加载框架固定于地面。

所述重心变化机构具有直线导轨、砝码盘和置于砝码盘上的砝码块Ⅱ，其中直线导轨一端经所述转轴可转动连接刚性加载框架，直线导轨与所述钢丝绳Ⅱ相连，所述砝码盘可移动的置于所述直线导轨上，该砝码盘上接有可带动砝码盘远离和靠近转轴移动的动作机构。

所述动作机构包括接于砝码盘一端的钢丝绳Ⅲ和配重块，以及接于砝码盘另一端的钢丝绳Ⅳ、链接杆和电机，其中链接杆一端连接钢丝绳Ⅳ，另一端接于电机的转轴上，且链接杆沿电机转轴径向布置。

本发明的有益效果是：1、本发明的加载试验装置可以对实验对象进行长周期高次数的水平加载。2、可以实现荷载幅值较小的加载要求(10¹N～10²N)，荷载幅值可以通过砝码块的重量来调整。3、可沿模型桩桩身或者其它结构的不同高度进行加载，加载点可根据具体实验要求个性化设置。4、本发明加载试验装置的加载周期和加载次数理论上可以无限，主要取决于电机性能。5、可以考虑同时加载不同频率的荷载(采用不同频率的电机即可实现)，如荷载频率不同的风、浪荷载的作用要求。6、电机与加载对象分离，避免因电机的振动频率与作用结构发生潜在的共振现象，最大限度的减小影响模型试验的因素。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图。

图2为实施例2的结构示意图。

具体实施方式

实施例1：如图1所示，本实施例为一种单点变频水平循环加载试验装置，具有置于水槽内的模型桩1，模型桩1上架有门字型的刚性加载框架2，刚性加载框架2固定安装于地面上。本例模型桩1上接有一组加载机构组，该加载机构组由对称接于模型桩1两侧的一个重力加载机构和一个力矩加载机构组成。

本实施例中重力加载机构具有砝码块Ⅰ9和钢丝绳Ⅰ3，钢丝绳Ⅰ3的一端连接于模型桩1，另一端连接砝码块Ⅰ9，该钢丝绳Ⅰ3挂于滑轮Ⅰ7上，滑轮Ⅰ7经连杆Ⅰ5安装于刚性加载框架2上，滑轮Ⅰ7的安装位置以保证钢丝绳Ⅰ3与模型桩1连接段呈水平为准。

本例中力矩加载机构具有钢丝绳Ⅱ4和重心变化机构，重心变化机构具有直线导轨12、砝码盘11和置于砝码盘11上的砝码块Ⅱ10，其中直线导轨12一端经水平布置的转轴13可转动接于刚性加载框架2上，砝码盘11可移动的置于直线导轨12上，该砝码盘上接有可带动砝码盘11远离和靠近转轴13移动的动作机构。本实施例中动作机构包括接于砝码盘11靠近转轴13端依次接钢丝绳Ⅲ15和配重块16，钢丝绳Ⅲ15挂于滑轮上，滑轮安装于刚性加载框架2上；砝码盘11的远离转轴13端依次接钢丝绳Ⅳ14、链接杆17和电机18(调频电机)，电机经安装架19固定于地面，链接杆17一端连接钢丝绳Ⅳ，另一端接于电机18的转轴上，且链接杆17沿电机18转轴径向布置。本实施例中直线导轨12的中部经钢丝绳Ⅱ4连接模型桩1，该钢丝绳Ⅱ挂在位于直线导轨12上方的滑轮Ⅱ8上，该滑轮Ⅱ经连杆Ⅱ6安装于刚性加载框架2上，滑轮Ⅱ8的安装位置以保证钢丝绳Ⅱ4与模型桩1连接段呈水平为准。

本实施例的工作原理如下：当加载试验装置安装完后，根据具体试验所需施加荷载幅值N，通过计算得到所需的砝码块Ⅰ9、Ⅱ10的质量M和m，将砝码块Ⅰ、Ⅱ放置于相应位置后启动电机18。通过砝码块Ⅱ10和砝码盘11的机械往复运动，不断改变砝码块Ⅱ10的作用力臂，由力矩平衡原理就可以输出所需的水平荷载幅值的简谐荷载。

本例中加载试验装置主要利用力学中的力矩平衡原理来实现将砝码块的重力转化为水平力，钢丝绳Ⅱ4对直线导轨12的拉力T和重心变化机构的重力G对转轴13轴心点作力矩平衡：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Σ}{M}_O=0=G\·x+T\·a\\ T=F\end{array}\right.$

由于滑轮Ⅱ8的位置固定，故力臂a为固定值；由于砝码盘11会来回移动，重心变化机构的重心会来回变化，力臂x大小是变化的，为与电机18转盘和转动频率相关的函数，随电机转动方式而变化(当电机匀速转动时，x为随时间变化的正弦函数)。

最后作用在模型桩1的上合力为：

$N=F-f=G\·\frac{x}{a}-Mg$

在加载过程中，由于砝码块Ⅱ10会在电机18和配重块16作用下实现左右往复运动，使得力臂x实现随时间变化，从而使得合力N值随时间变化。通过改变砝码块Ⅰ9、Ⅱ10的质量M和m以及力臂a和x的大小，可以得到实验设计所需的荷载N值。

实施例2：如图2所示，本实施例为一种多点变频水平循环加载试验装置，该加载试验装置的结构原理与实施例1基本相同，不同之处在于本实施例采用五组加载机构组，可根据试验需求实现对模型桩1的多点加载，加载机构组由对称接于模型桩1两侧的一个重力加载机构和一个力矩加载机构组成，其中四个力矩加载机构及一个重力加载机构位于加载试验装置左侧，一个力矩加载机构及四个重力加载机构位于加载试验装置右侧，本例中同侧的力矩加载机构中钢丝绳Ⅳ14共同接于一个链接杆17和电机18上，同侧的重力加载机构中钢丝绳Ⅲ15共同接于一个配重块16上。

Claims (3)

1.一种变频水平循环加载试验装置，具有竖向固定的模型桩(1)，其特征在于：所述模型桩(1)上接有若干加载机构组，加载机构组由对称接于所述模型桩(1)两侧的一个重力加载机构和一个力矩加载机构组成；

所述重力加载机构具有砝码块Ⅰ(9)和钢丝绳Ⅰ(3)，钢丝绳Ⅰ(3)一端接于所述模型桩(1)，另一端连接砝码块Ⅰ(9)，该钢丝绳Ⅰ挂于滑轮Ⅰ(7)上，滑轮Ⅰ(7)经连杆Ⅰ(5)和刚性加载框架(2)固定于地面；

所述力矩加载机构具有钢丝绳Ⅱ(4)和重心变化机构，重心变化机构经刚性加载框架(2)固定于地面，且重心变化机构与刚性加载框架(2)之间通过水平布置的转轴(13)可转动相连，重心变化机构经钢丝绳Ⅱ(4)连接所述模型桩(1)，该钢丝绳Ⅱ挂于重心变化机构上方的滑轮Ⅱ(8)上，该滑轮Ⅱ经连杆Ⅱ(6)和刚性加载框架(2)固定于地面。

2.根据权利要求1所述的变频水平循环加载试验装置，其特征在于：所述重心变化机构具有直线导轨(12)、砝码盘(11)和置于砝码盘(11)上的砝码块Ⅱ(10)，其中直线导轨(12)一端经所述转轴(13)可转动连接刚性加载框架(2)，直线导轨(12)与所述钢丝绳Ⅱ(4)相连，所述砝码盘(11)可移动的置于所述直线导轨(12)上，该砝码盘上接有可带动砝码盘远离和靠近转轴(13)移动的动作机构。

3.根据权利要求2所述的变频水平循环加载试验装置，其特征在于：所述动作机构包括接于砝码盘(11)一端的钢丝绳Ⅲ(15)和配重块(16)，以及接于砝码盘(11)另一端的钢丝绳Ⅳ(14)、链接杆(17)和电机(18)，其中链接杆(17)一端连接钢丝绳Ⅳ，另一端接于电机(18)的转轴上，且链接杆(17)沿电机(18)转轴径向布置。